Тестирование GPS-модулей

Цель тестирования

На рынке электронных компонентов представлено большое количество встраиваемых GPS-модулей, отличающихся техническими характеристиками, функциональными возможностями и ценой. Однако выбор конкретной модели при проектировании нового устройства часто оказывается нетривиальной задачей, так как совокупность хороших технических характеристик, заявленных производителем в документации, не всегда гарантирует качественную работу изделия. Особенно важно сделать правильный выбор при проектировании устройств мониторинга транспорта, от этого зависит точность отображения текущего положения объекта, маршрутов его движения, корректность расчета пробега и т. п. Цель данного тестирования — изучение технических характеристик и реальных эксплуатационных показателей различных GPS-модулей, представленных на рынке. Результаты исследования были использованы при проектировании новых моделей устройств мониторинга транспорта. При тестировании использовались GPS-модули Locosys версий AC-1513, UC-1513, SC-1513, MС-1513-96, а также u-blox LEA-6M.

Обзор технических характеристик тестируемых модулей

Рассмотрим технические характеристики тестируемых GPS-модулей, заявленные производителями в документации (табл. 1). Определяющей характеристикой любого GPSмодуля является модель чипсета, на котором он реализован, поскольку именно он определяет вычислительные способности рассматриваемых изделий. В мире не так много производителей GPS-чипсетов, и практически все основные их модели представлены в нашем тестировании. Далее мы будем сравнивать не конкретные модели GPS-модулей, а именно чипсеты, на которых они построены. Необходимо также учитывать, что в GPS-модуль интегрируются схемы управления электропитанием, усилители сигналов, фильтры и т. п. Чтобы минимизировать влияние качества реализации этих компонентов на результаты теста, мы постарались выбрать GPS-модули одного производителя — Locosys (за исключением u-blox LEA-6M).

Рассмотрим прочие параметры GPS-модулей. Номинальное потребление электроэнергии в рабочем режиме является важным при реализации устройств с автономным питанием от аккумулятора или батарейки. Чувствительность при холодном старте определяет способность модуля уловить сигнал в процессе поиска спутников, чувствительность в рабочем режиме — способность принимать слабый сигнал в процессе сопровождения спутника. Время холодного (Cold), теплого (Warm) и горячего (Hot) старта — это среднее время до первого определения координат при — соответственно — первом включении модуля (или после долгого перерыва), при включении модуля через 4–6 ч после выключения (эфемериды еще не устарели) и после кратковременного пропадания связи со всеми спутниками (например, проезд туннеля).

Количество каналов, с которым может работать GPS-чипсет, является одним из самых важных параметров. Каждый канал необходим для обработки одного сигнала от одного из спутников. Большое количество каналов позволяет GPS-чипсету в условиях плотной городской застройки принимать не только прямые, но и отраженные сигналы и использовать их при расчете координат. Другими словами, появляется возможность обработки не только прямого сигнала (часть которого может быть «испорчена» помехами), но и отраженного (который может быть слабее, но без искажений), что позволяет в итоге повысить точность определения координат. Для чипсетов MediaTek и u-blox 6 используются два числа в параметре: первое означает количество каналов для захваченных сигналов (по которым ведется расчет координат), второе — общее число каналов (остальные каналы используются для поиска основных и отраженных сигналов).

Исходя из представленных характеристик, наибольшую точность и устойчивость работы должны давать GPS-модули на чипсетах MediaTek и u-blox 6 (у них бoльшая чувствительность и большее число каналов). На момент проведения тестирования эти чипсеты имеют самую высокую производительность и поддерживают технологию A-GPS (быстрый старт за счет получения начальных данных — альманах и эфемериды по каналам связи). Неплохо себя должен показать и широко известный чип SiRFstarIII, имеющий самые высокие продажи в мире и хорошо зарекомендовавший себя за время использования. Однако, как уже говорилось, высокие технические характеристики не дают гарантии хорошего результата. Немаловажными являются алгоритм обработки получаемых со спутников данных, успешная фильтрация помех, а также прочие функции, заложенные во встроенное программное обеспечение чипсетов. И показать все это может только реальное тестирование.

Статический тест

Задача статического теста — выявить стабильность определения модулем навигационных параметров с течением времени при его неизменном положении в пространстве. Также дополнительной характеристикой качества модуля здесь будет являться среднее количество видимых и захваченных за период теста сигналов от спутников.

Методика

Размещение терминалов FORT, оснащенных соответствующими моделями GPS-модулей и антенн, было произведено на неподвижном объекте (подоконник офиса) с неидеальным обзором небосвода (~30%, т. к. напротив находилось здание); сбор статических параметров (количество видимых и захваченных спутников, измеренная высота, отклонение полученных координат) проходил в течение 30 минут от всех устройств одновременно. Для сбора данных использовался компьютер с установленным программным обеспечением u-center компании u-blox. Тест проводился 4 раза в разные дни и разное время суток (табл. 2).

Примечание: min — минимум, max — максимум, avg — среднее значение за период измерений.

Диаграммы девиации (отклонения измеренных координат от среднего значения) для каждого модуля показаны на рис. 1–3. Диаграммы приведены только для первого теста, остальные попытки показали сходные результаты. Результаты тестов u-blox 6, SiRFstarIII и MediaTek идентичны, они представлены на рис. 1.

Подробный анализ результатов статического теста будет приведен в заключении статьи.

Динамический тест

Задача динамического теста — выявить точность определения координат, сравнивая реальный и зарегистрированный модулем трек движения транспортного средства.

Методика

Терминалы FORT, оснащенные соответствующими моделями GPS-модулей и антеннами, были размещены на транспортном средстве. Автомобиль двигался по маршруту, проложенному через различные участки местности (площади и проспекты, небольшие улицы с густой растительностью, закрывающей небосвод, дворы с плотной застройкой и т. п.). Каждую секунду терминалы записывали регистрируемые GPS-модулями навигационные параметры в энергонезависимую память. После поездки все данные были считаны и проанализированы.

Результаты

При движении по открытой местности практически все GPS-чипы ведут себя одинаково точно, и отклонения не превышают 1–3 м (рис. 4).

При проезде рядом с объектами, частично закрывающими небосвод, у некоторых моделей GPS-модулей начинают проявляться отклонения в определении координат (рис. 5).

При проезде рядом с высотными зданиями отклонения становятся более заметными и проявляются у всех модулей (рис. 6, справа белым обозначен реальный маршрут автомобиля). На рис. 7–9 представлены другие примеры погрешности определения координат модулями в сложных условиях движения при неполной видимости небосвода.

Заключение

Самые плохие результаты в испытаниях (самые большие отклонения при определении координат в динамических тестах и большой разброс показаний в статических) показал GPS-чипсет ANTARIS 4. Что не удивительно, так как это самый устаревший прибор из рассматриваемых, и его технические характеристики это подтверждают.

Относительно высокую степень разброса показаний в статических тестах — порядка 20 м — показал чипсет ATHEROS, несмотря на большое количество видимых и захваченных спутников. Связано это, скорее всего, с несовершенными алгоритмами фильтрации помех, реализованными в GPS-чипсете. Также ATHEROS имел достаточно большие отклонения (относительно лидеров теста) от реального маршрута в динамическом тесте, особенно в условиях помех от растительности.

Оставшиеся 3 GPS-чипа (SiRFstarIII, MediaTek, u-blox 6) показали практически идеальные результаты в статических тестах (нулевое отклонение). Из общего ряда несколько выбивается MediaTek, который показал в статике малое количество видимых спутников, хотя количество захваченных (используемых для расчета) спутников было не меньше, чем у конкурентов, что значительно важнее. Динамический тест тоже не выявил бесспорного победителя: у каждого из модулей проявлялись незначительные недостатки. Например, u-blox имел небольшие выбросы при проезде рядом с высотными зданиями, а SiRFstarIII имел обычно большее отклонение полученного маршрута от реальной полосы движения, чем остальные два GPS-модуля.

Однако, как это уже упоминалось в анализе технических характеристик, SiRFstarIII является менее современным модулем, чем MediaTek и u-blox 6. Так, он не поддерживает функцию A-GPS, имеет меньшую чувствительность и число каналов. Поэтому выбор GPS-модуля для разработки нового устройства, по нашему мнению, предпочтительнее проводить из компонентов, основанных на чипсете MediaTek или u-blox 6. Окончательный же выбор в пользу того или иного чипсета разработчику следует делать после анализа ценовых, габаритных и прочих характеристик конкретного модуля, а также надежности поставщика этих микросхем.